基于LSP裝置對(duì)造紙廢水污泥減量的試驗(yàn)分析

陳奇，張柏鴻,，李紅，佟敏英，李俊峰，王坤鵬，王志成

（1. 鞍鋼貝克吉利尼水處理有限公司，遼寧 鞍山 114000； 2. 鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114000）

活性污泥法作為一種工藝簡(jiǎn)單、基建投資少、處理效果好的廢水處理工藝，廣泛應(yīng)用于造紙、食品、養(yǎng)殖等領(lǐng)域的廢水處理中。但它一直存在一個(gè)較大的弊端，即在運(yùn)營過程中會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥。隨著我國環(huán)保理念的提升和環(huán)保制度的完善，剩余污泥的環(huán)?；幚碜兊迷桨l(fā)困難[1]。傳統(tǒng)的棄置法、農(nóng)業(yè)利用法、填埋法成本逐漸提高，甚至被環(huán)保部門禁止，剩余污泥成為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的重大負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有的污泥減量研究方向主要有通過物理、化學(xué)及生物方法將細(xì)胞壁和細(xì)胞膜破壞，釋放出胞內(nèi)物質(zhì)作為微生物代謝底物的溶胞-隱性生長減量技術(shù)、投加化學(xué)解偶聯(lián)劑的污泥減量技術(shù)以及投加微生物制劑進(jìn)行污泥減量等技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于投資及運(yùn)行成本高、投加的藥劑對(duì)污水處理系統(tǒng)遠(yuǎn)期的影響、微生物制劑或菌種的穩(wěn)定局限性等不確定因素，現(xiàn)有技術(shù)暫時(shí)還都缺乏足夠的大規(guī)模應(yīng)用。

本試驗(yàn)以微型動(dòng)物捕食污泥技術(shù)為主要原理，從源頭上減少剩余污泥的產(chǎn)生，降低企業(yè)剩余污泥的處置費(fèi)用，提高企業(yè)效益。以LSP污泥減量集成系統(tǒng)為試驗(yàn)裝置（已申請(qǐng)發(fā)明專利），在山東省某造紙廠污水處理廠與現(xiàn)場(chǎng)活性污泥法工藝并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)比LSP裝置與普通活性污泥法工藝的處理效果，驗(yàn)證LSP裝置的處理性能，分析LSP裝置的污泥減量效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 工藝原理

LSP污泥減量裝置生物處理反應(yīng)槽中填充專用生物填料，在填料上繁殖微生物，并通過微孔曝氣盤給池中的微生物提供溶解氧。利用微生物降解廢水中的有機(jī)物，達(dá)到污泥減量的功效[3]。創(chuàng)新的多級(jí)式設(shè)計(jì)使得原水中的溶解性有機(jī)物首先被前段反應(yīng)槽中的細(xì)菌及低等原生生物消耗，之后又被后段的后生生物捕食消耗。眾所周知，由于低效的生物轉(zhuǎn)換，能量在從低營養(yǎng)級(jí)向高營養(yǎng)級(jí)的傳遞過程中會(huì)發(fā)生損失，食物鏈越長，能量損失越大，用來合成生物體的能量就越少。LSP裝置通過形成復(fù)雜的微生物食物鏈，消耗剩余污泥量，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的減量化處理。

1.1.2 工藝流程及特點(diǎn)

LSP污泥減量集成裝置工藝流程如圖1。

圖1 LSP裝置工藝流程圖

為了便于運(yùn)輸將該實(shí)驗(yàn)裝置集成于集裝箱中。此次實(shí)驗(yàn)工藝流程為調(diào)節(jié)槽→12級(jí)反應(yīng)槽→集水槽，反應(yīng)槽有效容積為3.5 m3。反應(yīng)槽內(nèi)置超高卷曲率的纖維狀特殊生物載體，內(nèi)部構(gòu)造原理如圖2。

圖2 生物載體、內(nèi)部構(gòu)造原理圖

該生物載體能夠使得微生物高度棲息，與一般接觸氧化處理相比，LSP裝置創(chuàng)新性地增加了生物區(qū)反應(yīng)槽數(shù)量至12級(jí)，為微生物由原生生物進(jìn)化至后生生物提供了良好的外界環(huán)境。

本集成試驗(yàn)裝置總有效容積為4.75 m3，根據(jù)水力停留時(shí)間的不同，可進(jìn)行日處理污水1～7.5 m3規(guī)模的試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)用污泥

本試驗(yàn)采用該造紙廠污水處理廠 IC塔厭氧處理后的出水為試驗(yàn)裝置進(jìn)水，該進(jìn)水水質(zhì)主要指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用進(jìn)水的主要指標(biāo)

試驗(yàn)接種污泥取自該污水處理廠好氧曝氣池，直接選用好氧池曝氣混合液，接種量為LSP有效容積的 5%，隨后低負(fù)荷進(jìn)水馴化。該好氧活性污泥生物鏡檢生物活性一般，但可見少許鐘蟲，污泥濃度為 6 000～7 000 mg/L。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 現(xiàn)場(chǎng)工藝流程

該造紙廠廢水處理主體工藝為沉淀預(yù)處理→IC塔厭氧處理→好氧處理→芬頓深度處理，目前污水廠日排放含水率45%的污泥70 t，由三部分組成，分別為一沉池纖維性污泥、好氧池活性污泥、芬頓產(chǎn)生的化學(xué)污泥，三種污泥分別占總污泥產(chǎn)量的60%、30%、10%。在實(shí)際運(yùn)行過程中，好氧系統(tǒng)排泥量較大。

此次實(shí)驗(yàn)采用LSP裝置與污水廠現(xiàn)有好氧處理工藝（普通活性污泥法）并聯(lián)對(duì)比，試驗(yàn)嚴(yán)格按照實(shí)際運(yùn)行的好氧系統(tǒng)的水力停留時(shí)間進(jìn)行控制，原水與好氧系統(tǒng)一致，活性污泥取自好氧系統(tǒng)，通過LSP工藝的自身馴化和調(diào)整，驗(yàn)證兩種工藝的處理性能及LSP裝置的污泥減量效果。

1.3.2 試驗(yàn)條件

依據(jù)同等試驗(yàn)條件的原則，本次試驗(yàn)原水、溫度、溶解氧等外界條件與現(xiàn)場(chǎng)好氧處理工藝完全相同，且LSP裝置生物接種也采用該污水處理廠曝氣池中的活性污泥作為馴化菌種。經(jīng)計(jì)算所得好氧處理工藝停留時(shí)間為24 h，LSP裝置反應(yīng)槽容積為3.5 m3，換算可得本次試驗(yàn)原水設(shè)定流量為2.4 L/min。

1.3.3 試驗(yàn)過程

（1）馴化階段

完成試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作后，自2016年8月11日開始正式啟動(dòng)LSP裝置污泥減量試驗(yàn)，向LSP設(shè)備各級(jí)反應(yīng)槽中投加曝氣池污泥共計(jì) 160 L，啟動(dòng)水力負(fù)荷進(jìn)水量為 0.73 L/min，連續(xù)曝氣，保持大于3.0 mg/L的溶解氧值，并根據(jù)各級(jí)培菌鏡檢效果及LSP裝置出水水質(zhì)情況逐步增大水力負(fù)荷。20天后水力負(fù)荷達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原水流量2.4 L/min，水力停留時(shí)間為24 h，與該污水處理廠現(xiàn)有好氧系統(tǒng)一致。

經(jīng)過30天的馴化培養(yǎng)，各級(jí)反應(yīng)槽中生物填料載體均出現(xiàn)不同程度的掛膜情況，其中第1～4級(jí)顯現(xiàn)黑褐色，泥層較厚，載體支架增重明顯；5～12級(jí)濾料掛膜厚度依次遞減，掛膜顏色逐漸呈現(xiàn)淡黃色。對(duì)生物填料載體上活性污泥進(jìn)行鏡檢，1～4級(jí)可見大量草履蟲、鐘蟲等原生生物群，生物活性較高，5～10級(jí)有少量輪蟲和線蟲等后生生物出現(xiàn)，11～12級(jí)由于水力負(fù)荷較低，只可見少量原生生物，生物活性較低?，F(xiàn)場(chǎng)活性污泥鏡檢只可見大量絲狀菌類及少量原生生物。LSP裝置生物數(shù)量及活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有活性污泥工藝[4]。LSP裝置反應(yīng)槽各級(jí)水質(zhì)COD及氨氮數(shù)據(jù)見表2及表3。

表2 馴化階段COD對(duì)比表 mg/L

表3 馴化階段氨氮對(duì)比表 mg/L

從表2及表3可知，原水經(jīng)各級(jí)反應(yīng)槽后，COD及氨氮依次遞減，LSP裝置出水COD三日平均值為177 mg/L，去除率為88.47%，氨氮三日平均值為1.17 mg/L，去除率為96.43%；現(xiàn)場(chǎng)工藝二沉池出水COD三日平均值為224 mg/L，去除率為85.41%，氨氮三日平均值為1.07 mg/L，去除率為96.73%。數(shù)據(jù)顯示經(jīng)過30天的馴化培養(yǎng)，LSP污泥減量集成裝置出水主要指標(biāo)基本與污水廠現(xiàn)有好氧處理設(shè)施出水氨氮指標(biāo)持平，COD低20.98%。

（2）強(qiáng)化階段

完成馴化階段的生物培養(yǎng)后，LSP裝置運(yùn)行趨于穩(wěn)定，自9月11日起，維持LSP裝置進(jìn)水流量為2.4 L/min。至9月30日止，LSP裝置各級(jí)反應(yīng)槽中填料載體生物掛膜進(jìn)一步增加，掛膜形成表層為好氧生物狀態(tài)，向內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)化為缺氧甚至是厭氧狀態(tài)。對(duì)LSP裝置填料載體生物進(jìn)行鏡檢，1～4級(jí)可見大量草履蟲、累枝蟲、鐘蟲、輪蟲等，生物數(shù)量劇增，生物活性非常好；5～10級(jí)可見大量輪蟲、紅斑顠體蟲，偶見線蟲；11～12級(jí)可見少量原生生物，輪蟲、紅斑顠體蟲等，生物數(shù)量較第一階段有明顯提高[5]。鏡檢可見紅斑顠體蟲吞噬及排泄現(xiàn)象，根據(jù)生物能量轉(zhuǎn)化定律可知，紅斑顠體蟲在消耗系統(tǒng)中的剩余污泥[6]。而現(xiàn)場(chǎng)工藝活性污泥鏡檢結(jié)果較馴化階段幾乎無任何變化。強(qiáng)化階段LSP裝置各級(jí)反應(yīng)槽水質(zhì)COD及氨氮數(shù)據(jù)見表4及表5。

表4 鞏固階段COD對(duì)比表 mg/L

表5 鞏固階段氨氮對(duì)比表 mg/L

從表4及表5可知LSP出水COD五日平均值為147.6 mg/L，去除率為90.36%，氨氮五日平均值為1.52 mg/L，去除率為95.4%；現(xiàn)場(chǎng)二沉池出水COD五日平均值為181.2 mg/L，去除率為88.16%，氨氮五日平均值為1.82 mg/L，去除率為94.49%。經(jīng)過進(jìn)一步的運(yùn)轉(zhuǎn)，LSP裝置處理能力得到進(jìn)一步的提升，出水水質(zhì)能夠滿足該污水處理廠的好氧工藝日常運(yùn)行出水條件COD≤200 mg/L，氨氮≤5 mg/L。且去除率較現(xiàn)場(chǎng)工藝持續(xù)穩(wěn)定提升。紅斑顠體蟲的出現(xiàn)標(biāo)志著LSP裝置污泥減量生物鏈正式形成，污泥減量條件趨于成熟，可以開展進(jìn)一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比工作[7]。

（3）驗(yàn)證階段

由于LSP裝置反應(yīng)槽中已經(jīng)建立起復(fù)雜完整的生物鏈，LSP裝置的污泥減量功能已經(jīng)啟動(dòng)。10月1日起對(duì)LSP裝置出水及現(xiàn)場(chǎng)工藝二沉池出水進(jìn)行為期7天的水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，對(duì)比LSP裝置與該污水處理廠好氧處理工藝處理效果。為了增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，在原有的哈?？焖贉y(cè)定儀DR1010檢測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加了COD國標(biāo)測(cè)定方法（GB11914-89）同時(shí)檢測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)[8]，驗(yàn)證階段COD及懸浮物數(shù)據(jù)見表6及表7。

表6 驗(yàn)證階段COD對(duì)比表 mg/L

由表6中數(shù)據(jù)可知兩種檢測(cè)方法LSP裝置出水COD 7日平均值為120.36 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)工藝二沉池出水COD七日平均值為為134.86 mg/L。LSP裝置出水COD去除率比現(xiàn)有活性污泥法工藝提高10.75%，可知LSP裝置對(duì)于COD的去除效果明顯好于現(xiàn)有工藝。

表7 驗(yàn)證階段SS對(duì)比表 mg/L

由表7中數(shù)據(jù)可知，LSP污泥減量集成裝置中第 10級(jí)反應(yīng)槽上清液懸浮物 7日平均值為 71.57 mg/L，LSP裝置第12級(jí)反應(yīng)槽出水懸浮物7日平均值為63.71 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)工藝二沉池出水懸浮物七日平均值為157.57 mg/L，而二沉池排放進(jìn)行污泥脫水處理的污泥濃度七日均值為12 733 mg/L。

由于LSP工藝沒有污泥回流設(shè)置，故第12級(jí)出水所帶懸浮物并考慮日處理水量后可視為最終需要處理的污泥量；而與污水廠目前實(shí)際污泥處理量相比較，污泥減量效果明顯。根據(jù)甲方提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算得污泥減量效果在90%左右，真正從源頭上實(shí)現(xiàn)了污泥減量。

另外，綜合主要出水指標(biāo)及SS的情況，LSP裝置第 10級(jí)反應(yīng)槽上清液處理效果已經(jīng)明顯好于現(xiàn)場(chǎng)工藝二沉池出水，LSP污泥減量裝置單位時(shí)間的處理量有進(jìn)一步提高的可能。

1.4 分析方法

試驗(yàn) COD分析方法采用 《GB11914-1989》，氨氮分析方法采用《HJ535-2009》，懸浮物分析方法采用《GB11901-1989》。

2 結(jié)果與討論

由該污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營數(shù)據(jù)可知，好氧池日產(chǎn)含水率45%的剩余污泥為70×0.3=21 t。如采用 LSP工藝，則推算日產(chǎn)生同等性狀污泥約為 21×0.1=2.1 t，日均少產(chǎn)剩余污泥18.9 t。按該廠現(xiàn)有剩余污泥焚燒裝置噸處理費(fèi)用270元計(jì)算，日均節(jié)省剩余污泥處理費(fèi)用為18.9×270=5 103元，可知每年可為該廠節(jié)省剩余污泥處理費(fèi)用達(dá) 150～200萬元。

3 結(jié) 論

通過2個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行觀察并結(jié)合主要指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以證明LSP污泥減量生物處理技術(shù)在造紙廢水污水處理中可以發(fā)揮積極、有效的作用。在同等運(yùn)行條件下，LSP污泥減量生物處理技術(shù)較普通活性污泥法COD去除效果更好，污泥減量效果達(dá)90%以上。LSP污泥減量裝置利用微生物的捕食活動(dòng)，創(chuàng)新性地通過擴(kuò)展微生物的食物鏈，很好地達(dá)到對(duì)造紙廢水污泥減量的目標(biāo)，且不需要添加其他藥劑及營養(yǎng)劑，無二次污染。由于生物相豐富，抗沖擊能力強(qiáng)，易于管理，將普通活性污泥系統(tǒng)改造成LSP污泥減量工藝不但能夠降低企業(yè)污染物的排放，而且還可以最大程度地減少發(fā)生二次污染的可能。LSP裝置污泥減量生物處理技術(shù)，在造紙廢水的污泥減量領(lǐng)域具有較大的推廣空間，在降低企業(yè)環(huán)保排放壓力的同時(shí)，大幅度地節(jié)省了企業(yè)剩余污泥的處置費(fèi)用，提升了企業(yè)的盈利能力。

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